導(dǎo)語：剖析材料科學(xué)教學(xué)的微觀機(jī)理一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

一、MaterialsStudio軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

(一)簡介材料計算模擬軟件Materialsstudio是美國Accelrys公司為材料科學(xué)領(lǐng)域開發(fā)的一款科學(xué)研究軟件，用于幫助用戶解決當(dāng)今材料科學(xué)中的一些重要問題。MaterialsStudio軟件包集成了Visual-izer、CASTEP、Dmol3、Reflex等二十幾個計算模擬模塊，是一款強(qiáng)有力的計算模擬工具。用戶可以通過Visualizer可視化模塊進(jìn)行一些簡單的界面操作來建立材料分子的三維結(jié)構(gòu)模型，之后通過軟件包中相應(yīng)的計算模塊，對材料分子的構(gòu)型優(yōu)化、性質(zhì)預(yù)測、X射線衍射分析及量子力學(xué)方面進(jìn)行計算。通過計算得到的結(jié)果可以對各種晶體、無定型與高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過程進(jìn)行深入的分析和研究，其計算的結(jié)果精確可靠。CASTEP是CambridgeSequentialTotalEnergyPackage的縮寫，最早由英國劍橋大學(xué)的一個凝聚態(tài)理論小組開發(fā)，是廣泛用于計算周期性體系性質(zhì)的一個先進(jìn)量子力學(xué)程序。它可用于金屬、半導(dǎo)體、陶瓷等多種材料的相關(guān)計算，可研究晶體材料的光學(xué)性質(zhì)（折射率，反射率，吸收及發(fā)射光譜等）、缺陷性質(zhì)（如空位、間隙或取代摻雜）、電子結(jié)構(gòu)（能帶及態(tài)密度）、體系的三維電荷密度及波函數(shù)等。

（二）教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計1.知識點(diǎn)的設(shè)置。在材料科學(xué)的專業(yè)課中，如晶體物理、固體物理、半導(dǎo)體物理學(xué)、硅材料科學(xué)與技術(shù)等課程中,都會涉及材料的晶體結(jié)構(gòu)，能帶結(jié)構(gòu)，帶隙的分類，X射線衍射、缺陷，摻雜等知識點(diǎn)，也會涉及到材料的反射率、折射率、介電常數(shù)等材料的光學(xué)或化學(xué)性質(zhì)。在完成這些基礎(chǔ)知識點(diǎn)的講解后，可以利用Mate-rialsStudio軟件進(jìn)行計算和演示，為這些基礎(chǔ)理論給出直觀形象的解釋，把材料的宏觀性質(zhì)與微觀機(jī)理銜接上，這樣學(xué)生對材料科學(xué)的知識體系就會有一個整體的認(rèn)識和了解。2.密度泛函理論及波函數(shù)的介紹。密度泛函理論是一種研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)方法，其本質(zhì)是以電子密度分布函數(shù)為變量代替波函數(shù)中的自變量來求解薛定諤方程，使求解復(fù)雜體系波函數(shù)的本征值成為可能。目前，密度泛函理論已廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)及材料相關(guān)領(lǐng)域，特別是用來研究分子和凝聚態(tài)的性質(zhì)。目前密度泛函理論DFT（DensityFunctionalTheory縮寫）被廣泛應(yīng)用到計算模擬軟件中來求解薛定諤方程，可對材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、光譜、能量、過渡態(tài)結(jié)構(gòu)和活化勢壘等方面的進(jìn)行計算研究。在與分子動力學(xué)結(jié)合后，在材料設(shè)計、合成、模擬計算等方面有明顯進(jìn)展，成為計算材料科學(xué)的重要基礎(chǔ)和核心技術(shù)。3.軟件的操作及相關(guān)內(nèi)容的演示。MaterialsStudio程序包中的二十多個計算模塊是通過Visualizer這個可視化核心模塊整合在一起的，用戶可以很方便地應(yīng)用Visualizer模塊構(gòu)建有機(jī)、無極、聚合物、金屬等材料分子、及周期性的晶體材料、表面、層結(jié)構(gòu)等模型，通過鼠標(biāo)控制這些分子構(gòu)型，可從不同角度查看并分析體系結(jié)構(gòu)，容易形成直觀的概念。MaterialsStudio自帶的數(shù)據(jù)庫中的晶體結(jié)構(gòu)可以用于教學(xué)演示，如在硅材料科學(xué)與技術(shù)和半導(dǎo)體物理等課程的教學(xué)過程中，需要用到單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)，可以很方便地從MaterialsStudio軟件的Structures/semiconductors數(shù)據(jù)庫文件夾中導(dǎo)入Si這個晶體數(shù)據(jù)文件，在課堂上為學(xué)生們演示，從（100）、（110）、（111）不同的晶面來進(jìn)行展示（如圖1），以說明硅單晶的晶體結(jié)構(gòu)。也可以通過Visualizer模塊中的菜單選項(xiàng)Build->Sym-metry->Supercell建立n×n超胞結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整角度，可以從不同晶向觀察晶體的晶面，通過超胞結(jié)構(gòu)也可以演示各種晶體的密堆積結(jié)構(gòu)。這樣就給學(xué)生一個生動、形象、直觀動態(tài)的概念，使其易于在頭腦中建立空間模型，理解所學(xué)知識點(diǎn)。通過Visualizer模塊對硅單晶的元胞進(jìn)行演示，我們可以知道每個硅原子至多與另外四個硅原子相連，借此可以說明硅原子的共價鍵取向及硅晶體屬于金剛石型結(jié)構(gòu)，源于硅原子的sp3雜化，形成了四個共價鍵。通過CASTEP模塊對硅單晶的元胞進(jìn)行計算，可以得出其能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，通過對計算結(jié)果的分析，可以得出硅單晶材料的帶隙特點(diǎn)。在稀土化學(xué)的教學(xué)過程中，可以通過CCDC英國劍橋晶體數(shù)據(jù)庫及WebofScience網(wǎng)站來獲取稀土配合物的晶體結(jié)構(gòu)，然后通過MaterialsStudioVisualizer讀出晶體結(jié)構(gòu)，用于課堂演示，有助于學(xué)生理解復(fù)雜的稀土配合物結(jié)構(gòu)。在固體物理教學(xué)過程中，可以利用MaterialsStudio中的Re-flex模塊模擬粉晶體材料的X光、中子以及電子等多種衍射圖譜,可用于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果及演示教學(xué)。4.知識點(diǎn)的拓展。對于缺陷、雜質(zhì)摻雜、空位等對晶體材料的影響，可以通過MaterialsStudio中Visualizer模塊建立相應(yīng)的模型，然后通過CASTEP計算模塊進(jìn)行計算。通過對計算結(jié)果的分析，說明這些因素對半導(dǎo)體材料性質(zhì)的影響。MaterialsStudio軟件同樣可以計算材料的折射率、反射率、介電常數(shù)等性質(zhì)。其計算的結(jié)果數(shù)據(jù)和圖表可以與教科書或文獻(xiàn)上的數(shù)據(jù)圖表進(jìn)行對比，來說明計算方法的正確性，以此為支點(diǎn)，采用同樣的計算方法，我們可以嘗試設(shè)計更多的新型材料并進(jìn)行計算。通過這些詳實(shí)的計算實(shí)例我們可以更生動地說明教學(xué)中的知識點(diǎn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛好，嘗試進(jìn)行材料分子模型的設(shè)計并進(jìn)行模擬計算。通過計算結(jié)果的對比，可以初步探討晶體中缺陷、雜質(zhì)、空位等因素對材料性質(zhì)的影響，在此過程中增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和興趣。

二、GaussianView和Gaussian軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

（一）簡介Gaussian是一個功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包。應(yīng)用它可以計算分子能量和結(jié)構(gòu)、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量、分子軌道、熱力學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)路徑等等，功能非常強(qiáng)大。計算可以模擬氣相和溶液中的體系,模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)，進(jìn)而通過含時密度泛函研究材料分子體系的激發(fā)態(tài)，算出吸收和發(fā)射光譜。Gaussian擴(kuò)展了化學(xué)體系的研究范圍，可以對周期邊界體系進(jìn)行計算，例如聚合物和晶體。周期性邊界條件的方法(PBC)技術(shù)把體系作為重復(fù)的單元進(jìn)行模擬，以確定化合物的結(jié)構(gòu)和整體性質(zhì)。而GaussianView是一款為Gaussian設(shè)計的配套軟件，其主要作用有兩個：1.構(gòu)建Gaussian的輸入分子模型，2.以圖形顯示Gaussian程序的運(yùn)算結(jié)果。

（二）知識點(diǎn)的設(shè)置1.在材料科學(xué)有機(jī)電致發(fā)光材料及稀土化學(xué)課程的教學(xué)過程中，會涉及到有機(jī)或稀土發(fā)光材料的吸收及發(fā)射機(jī)理。通過把Gaussian軟件教學(xué)過程，我們可以很好結(jié)合這些算例講解三重態(tài)，單重態(tài)發(fā)射過程，給出與發(fā)射過程相關(guān)的分子最高占據(jù)軌道HOMO和最低非占據(jù)軌道LUMO的電子密度圖，這樣就可以很形象地解釋發(fā)射過程中的電子轉(zhuǎn)移過程，對低能吸收和發(fā)射過程的電子躍遷性質(zhì)進(jìn)行判斷。2.軟件的操作及相關(guān)內(nèi)容的演示。(1)通過CCDC晶體數(shù)據(jù)庫或者WebofScience網(wǎng)站獲得相應(yīng)的配合物或者稀土配合物晶體的晶體結(jié)構(gòu)（通常為cif文件）。(2)應(yīng)用Mercury軟件或者M(jìn)aterialsStudio軟件讀取相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)存為GaussianView程序可以讀取的格式（一般選用*.cif、*.pdb、*.mol2格式）,通過Gaussian-View轉(zhuǎn)存為Gaussian輸入程序（*.gif-Gaussianinputfile)。(3)采用Gaussian程序進(jìn)行計算。(4)通過GaussianView程序讀入Gaussian03/09計算結(jié)果，通常為log文件，或者fchk文件，GaussianView可以很方便地讀取Gaussian的計算結(jié)果并且以圖形的形式顯示出來，并可應(yīng)用它對計算結(jié)果進(jìn)行分析。(5)通過GaussianView對計算結(jié)果的進(jìn)行處理，通過它顯示出發(fā)光材料的分子軌道電子云密度分布情況，吸收光譜，發(fā)射光譜等情況，結(jié)合這些圖形信息，我們可以對有機(jī)電致發(fā)光材料或者稀土發(fā)光材料的發(fā)光機(jī)理進(jìn)行教學(xué)。3.知識點(diǎn)的拓展。GaussianView是由Gaussian公司開發(fā)的一款非常好的分子建模及顯示工具，學(xué)生可以通過對它的使用，很方便地進(jìn)行分子設(shè)計并輸入到高斯程序中進(jìn)行計算。可以安排學(xué)生在基礎(chǔ)發(fā)光材料分子的基礎(chǔ)上，在分子配體的外圍添加外圍取代基或者改變配體，進(jìn)行嘗試，進(jìn)行配合物分子的設(shè)計，增強(qiáng)其動手能力，為今后走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有機(jī)合成做準(zhǔn)備。

三、預(yù)期的效果

計算模擬軟件所用的計算資源可以采用多媒體教學(xué)中的電腦和學(xué)生自帶的筆記本電腦。通過對軟件進(jìn)行簡單的操作講解，學(xué)生可以很方便進(jìn)行建模和計算。在此教學(xué)過程中，可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、動手能力、以及一些基本的科學(xué)研究技能，增加其對材料科學(xué)的興趣，對科研領(lǐng)域的了解。

作者：吳玉輝吳盼單位：長春理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吉林大學(xué)附屬中學(xué)